Die Magnetresonanztomografie ist zur nicht invasiven Einschätzung der Transplantat-integrität einer vorderen Kreuzbandersatzplastik in der postoperativen Phase hilfreich. Bei klinischen Studien wurde die MRT zur Beobachtung des Transplantatremodelings eingesetzt, jedoch in keinem Fall die Signalintensität mit biomechanischen Befunden korreliert. In der vorliegenden Studie wurde erstmals das quantitative MR-Signal in Form eines Signal/Noise-Quotienten mit biomechanischen Parametern über zwei Jahre am Langzeit Tiermodell verglichen und miteinander korreliert. 29 Schafe wurden einer Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes mit autologem Achillessehnen-Split-Transplantat unterzogen und nach 6, 12, 24, 52 und 104 Wochen geopfert. Vor Opferung wurden die Kniegelenke aller Tiere sowohl nativ, als auch mit Kontrastmittel (Gadolinium-Diethylentriaminpentaessigsäure) MR-tomografisch (1,5 Tesla, T1-Wichtung, 2 mm Schichtdicke, sagital/schräge Orientierung) untersucht. Anschließend wurden die Hinterläufe explantiert und biomechanisch getestet. Der Signal/Noise-Quotient wurde berechnet und die Daten mit der Versagenslast, der Reißfestigkeit und der Steifigkeit des Transplantates korreliert. In der frühen Phase des Transplantatremodelings konnte ein Anstieg der Signalintensität bei gleichzeitiger Abnahme der biomechanischen Eigenschaften beobachtet werden. Im weiteren Verlauf nahm die Signalintensität wieder ab und respektive die biomechanischen Kenndaten zu. In der Korrelationsanalyse zeigte sich ein signifikanter negativ linearer Zusammenhang zwischen den Signal/Noise-Quotienten und allen biomechanischen Parametern. Die Korrelationen mit Kontrastmittelunterstützung waren im Allgemeinen grösser. Schlussfolgernd kann gesagt werden, dass das quantitative MR-Signal ein nützliches Hilfsmittel ist, den Prozess des Transplantatremodelings nicht-invasiv zu verfolgen. Die Ergebnisse sind für das Verständnis der beeinflussenden Faktoren des Transplantatremodelings auch für den Menschen ausgesprochen nutzbringend. In Hinblick auf mögliche Unterschiede zwischen dem Tiermodell und dem Menschen stellen die hier präsentierten Daten eine wissenschaftliche Grundlage dar, das Remodeling beim Menschen weiter nicht invasiv zu untersuchen / Magnetic resonance imaging (MRI) is helpful for the noninvasive evaluation of the graft integrity of an anterior cruciate ligament graft in the postoperative phase. In clinical studies the MRI was used for the observation of the graft remodeling, correlated however in no case the signal intensity with biomechanical findings. In the present study the quantitative MR-signal in form of a signal/noise quotient was compared for the first time with biomechanical parameters over two years in a long-term animal model and correlated with each other. Twenty-nine sheep underwent anterior cruciate ligament reconstruction with an autologous Achilles tendon split graft and were sacrificed after 6, 12, 24, 52 and 104 weeks. Before sacrificing, all animals underwent plain and contrast-enhanced (gadolinium-diethylenetriamine pentacetic acid) magnetic resonance imaging (1.5 Tesla, T1-weighted, 2-mm sections, sagital oblique orientation) of their operated knees. The signal/noise quotient was calculated and data were correlated to the maximum load to failure, tensile strength and stiffness of the grafts. A high signal intensity reflects a decrease of biomechanical properties of the graft during early remodeling. In the further process the signal intensity decreased and biomechanical characteristic data increased again. Correlation analyses revealed significant negative linear correlations between the signal/noise quotient and all tested biomechanical parameters. The correlations with contrast-enhanced MRI were generally stronger. In conclusion, it can be said that the quantitative MR-Signal is a useful tool to follow the graft remodeling process in a noninvasive manner. The results may also be useful for understanding the variables of graft remodeling after ACL reconstruction in humans. The present data may present a scientific base for comparing animal and human data with respect to possible differences in the graft remodeling process

Einleitung: Aufgrund der hohen Inzidenz der vorderen Kreuzbandverletzungen und der damit einhergehenden funktionellen Einschränkung besteht ein anhaltendes Interesse an der Verbesserung bestehender und Entwicklung neuer, besserer Techniken zur Rekonstruktion dieser Bandstruktur des Kniegelenkes. In dieser Studie wurde der Einfluss des Verankerungsniveaus (anatomisch vs. extrakortikal) und der Verankerungsart (direkt vs. indirekt) auf das mechanische Verhalten von drei exemplarischen, in der Klinik häufig angewandten Rekonstruktionstechniken, untersucht. Material & Methoden: An insgesamt 24 Kniegelenken humaner Spender mittleren Alters (40 Jahre) wurden drei Rekonstruktionstechniken (n=8 pro Gruppe) des VKB durchgeführt. Als Transplantat wurden jeweils humane Hamstringsehnen verwendet: 1.) HADBIO: anatomische und direkte Verankerung mit biodegradierbaren Interferenzschrauben, 2.) HADTIT: semi-anatomische und direkte Verankerung mit Titanschrauben, 3.) HEIButton: extrakortikale, indirekte Verankerung mit Faden-Button Verbindung. Alle rekonstruierten Kniegelenke wurden einer zyklischen, inkremental zunehmenden Belastung bis zum Versagen unterzogen. Es wurden die Parameter Konstruktsteifigkeit, absorbierte Energie, Transplantatauslenkung und Laxizitätszunahme bei Belastungen von 200, 300, 400 N, sowie die maximale Steifigkeit und Versagenskraft bestimmt. Ergebnis: Die anatomische und direkte Transplantatverankerung mit biodegradierbarer Interferenzschraube zeigt die vorteilhaftesten mechanischen Eigenschaften, während die extrakortikale und indirekte Verankerung die niedrigsten mechanischen Eigenschaften aufwies. Die tibiale Verankerungsseite ist bei Interferenzschraubenverankerung der Schwachpunkt, während die Fadenverbindungen bei der extrakortikalen Verankerungstechnik die Schwachstelle darstellten. Auch bei anatomischer und direkter Transplantatfixation findet ein nicht zu vernachlässigender permanenter Verankerungsverlust bei vergleichsweise geringer Versagenskraft statt, der vor allem auf der tibialen Verankerungsseite zu beobachten ist. Diskussion: Eine anatomische und direkte Transplantatverankerung ist von mechanischem Vorteil. Allerdings hängt die Konstruktsteifigkeit auch in erheblichem Maße vom Fixationsobjekt ab. Extrakortikale Fixationstechniken, die eine indirekte Faden-Knoten-Transplantatverbindung erfordern, unterliegen einer erheblichen nicht-reversiblen Lockerung unter zyklischer Belastung und sollten durch direkte Verankerungstechniken ersetzt werden. Aufgrund der permanenten Laxizitätszunahme auch in der anatomischen und direkten Interferenzschraubenverankerung, vor allem der tibialen Seite, sollte über Sicherungsverankerungen, so genannten Hybridfixationen nachgedacht werden, um die mechanischen Vorteile dieser Rekonstruktionsart voll zum Tragen bringen zu können. / Introduction: There is a continuous interest in the improvement and development of new techniques for the reconstruction of the anterior cruciate ligament (ACL) because of the high incidence of its injury and the resulting functional deficit. Purpose of this study was the impact of fixation level (anatomic vs. extracortical) and fixation method (direct vs. indirect) on the mechanical properties of three frequently used reconstruction techniques. Material & Methods: 24 human cadaveric knees with an average age of 40 years were used for simulation of three reconstruction techniques (n=8 per group). Human hamstring tendons were utilized as tendon grafts. 1.) HADBIO: anatomic and direct fixation with biodegradable interference screws, 2.) HADTIT: semi-anatomic and direct fixation with titanium interference screws, 3.) HEIButton: extracortical, indirect fixation with tape/button combination. All reconstructed knee joints underwent cyclic incremental loading until failure. Construct stiffness, absorbed energy, displacement and laxity increase were calculated at loads up to 200, 300, 400 N. Maximum stiffness and failure load were also recorded. Results: The anatomic and direct graft fixation with biodegradable interference screws provided the highest, while the combination of extracortical and indirect fixation showed the lowest mechanical properties. The tibial fixation site is the critical factor in interference screw fixation, while the tape/suture interfaces were the location of failure in the extracortical reconstructions. Even in the anatomic and direct reconstruction technique a considerable permanent loss of fixation, especially at the tibial fixation site and a comparably lower failure load were observed. Discussion: The combination of anatomic and direct fixation showed to be of mechanical benefit. However, construct stiffness seemed to be also affected by the fixation device. Extracortical fixation techniques, which require suture-tape/knot interfaces for graft fixation, undergo significant permanent loosening of fixation under cyclic loads and should be replaced by direct fixation techniques. Since a permanent laxity increase was still observed in the anatomic and direct interference screw reconstructions, especially on the tibial site, backup or so called hybrid fixations should be considered, which would allow to take full advantage of the mechanical improvements in these reconstruction techniques.

Einleitung: Die Verwendung der Hamstringsehnen als Transplantate in der rekonstruktiven Chirurgie des vorderen Kreuzbandes stellt eine wenig invasive Alternative zur herkömmlichen Verwendung des mittleren Patellarsehnendrittels dar. Hier ist jedoch die Transplantatverankerung, die bisher meist extrakortikal, also weit entfernt der nativen Kreuzbandinsertion angelegt wurde problematisch. Hierdurch zeigt das Transplantat-Verankerungs-Konstrukt ein unbefriedigendes elastisches und plastisches Dehnungsverhalten, welches u.A. für eine geringere Kniestabilität und eine gestörte ossäre Transplantatintegration verantwortlich gemacht wird. Eine anatomiegerechte Transplantatverankerung auf Gelenkniveau könnte die mechanischen und biologischen Rahmenbedingungen verbessern, um so die Hamstringsehnen als Alternativtransplantat mit verbesserter klinischer Prognose einsetzten zu können. Eine direkte Verankerung mit Interferenzschrauben erlaubt eine solche anatomische Transplantatverankerung, so dass wir dieses neue Operationsverfahren biomechanisch und tierexperimentell untersucht haben. Methoden: In sechs biomechanischen Teilprojekten und in zwei tierexperimentellen Untersuchungen wurde die Eignung der direkten Verankerung mit biodegradierbaren Interferenzschrauben der Hamstringsehnen im Vergleich zu konventionellen Patellar- und Hamstringsehnen-Techniken untersucht. Ergebnisse: Wir konnten demonstrieren, dass die initiale femorale Verankerungsfestigkeit, auch in Sinne der sog. Hybridfixation ausreichend ist. Die tibiale Verankerung unterliegt jedoch verschiedenen Variablen und bedarf einer differenzierten klinischen Anwendung. Im Vergleich zu konventionellen Techniken der Hamstringsehnen-Verankerung kann das plastische und elastische Dehnungsverhalten durch die Verankerung mit Interferenzschrauben deutlich verbessert werden, wobei jedoch das mechanische Verhalten des Patellarsehnen-Transplantates nicht erreicht wurde. Die tierexperimentelle Analyse zeigt auf, dass die ossäre Integration durch die Kompression des Transplantates auf Gelenkniveau soweit verbessert werden kann, dass sog. Tunnelaufweitungen, als Zeichen einer gestörten Einheilung vermieden werden und, dass das Transplantat mit einer direkten Bandinsertion, entsprechend des nativen vorderen Kreuzbandes, auf Gelenkniveau einheilt. Schlussfolgerung: Die hier vorgelegten Untersuchungen haben erstmals umfassend die Rahmenbedingungen der Interferenzschrauben-Verankerung der Hamstringsehnen beschrieben; einer Technik die inzwischen weltweit verbreitete Anwendung findet. Durch eine anatomische Transplantatverankerung auf Gelenkniveau besteht nun die Möglichkeit, mit optimierten mechanischen und biologischen Rahmenbedingungen eine adäquate Alternativtechnik zur konventionellen Verwendung der Patellarsehnen anzubieten. / Introduction: The use of hamstring tendon grafts as a substitute for anterior cruciate ligament reconstruction presents a less invasive procedure compared to the conventional bone-patellar tendon- bone graft. Current techniques of hamstring tendon anterior cruciate ligament reconstruction utilise an extra-cortical fixation. An extra-cortical fixation, however, shows inferior structural parameters with respect to construct slippage or stiffness. These factors may contribute to less stable knees after reconstruction and a delayed osseous integration of the grafted tissue. An anatomic hamstring tendon graft fixation close to the joint line may overcome these problems and may present an alternative to the conventional bone-patellar tendon-bone graft by means of optimised mechanical and biological boundary conditions. We therefore studied anatomic interference fit fixation of hamstring tendon grafts in different mechanical and animal experimental setups. Methods: In six different biomechanical projects and two animal studies, we studied the capability of hamstring tendon interference fit fixation to be used as a secure and reproducible technique of anterior cruciate ligament reconstruction and compared these data to the bone-patellar tendon-bone graft and other conventional hamstring tendon graft fixation techniques. Results: We could demonstrate that the initial femoral fixation strength, as well as a hybrid fixation is sufficient. However, the tibial fixation presents the weak link and underlies different variables, such as bone density and screw geometry. Compared to conventional extra-cortical fixation techniques, the viscoelastic and viscoplastic deformation behaviour could be optimized, but did not reach comparable data to the bone-patellar tendon-bone graft. Animal experiments could clearly demonstrate that interference fit fixation promotes osseous tendon incorporation and minimises the likely hood of a tunnel enlargement. We further found that in contrast to conventional fixation techniques the use of interference screws resulted in the development of a direct ligament insertion anatomy, directly at the joint line, like it is found with the native anterior cruciate ligament. Conclusion: With the present studies we could first describe the mechanical and biological boundary conditions of hamstring tendon interference fit fixation, a technique which gains increased world wide attention as a standard procedure in cruciate ligament surgery. By using an anatomic joint line fixation of hamstring tendon grafts, there are optimised boundary conditions, which therefore presents an adequate alternative to the conventional bone-patellar tendon-bone graft in cruciate ligament reconstruction.

Die klinischen Langzeitergebnisse des vorderen Kreuzbandersatz mit dem Patellarsehnentransplantat nach durchschnittlich 13,8 Jahren waren nicht zufriedenstellend. Hauptursachen hierfür waren operativ-technische Mängel, wie Fehlpositionierung der Bohrkanäle und die Fixierung der Transplantate in einer zu hohen Kniebeugestellung. Diese Abweichungen führten zu signifikant schlechteren Bewegungsausmaßen sowohl in der Streckung als auch in der Beugung. Insbesondere bei zu weit ventral positionierter femoraler Bohrkanalanlage resultierte ein erhebliches Beugedefizit mit Stressbelastung auf das femorotibiale Kompartiment, ähnlich einem Nußknackerphänomen. Bei zu weit ventral positioniertem tibialen Bohrkanal wurde eine signifikante Verringerung der Extension beobachtet. Die Patienten mit gleichzeitiger Meniskusresektion hatten signifikant höhere arthrotische Veränderungen. Sowohl die zum damaligen Zeitpunkt allgemein anerkannte Operationstechnik als auch die postoperative Rehabilitation ist zeitlich überholt und entspricht nicht den gegenwärtigen internationalen Standards. In der experimentellen Untersuchung zum Einwachsverhalten einer autologen vorderen Kreuzbandplastik am Kaninchenmodell konnte der Einfluss und die Wirkung von manipulativ wirkenden Faktoren auf die Ausbildung eines stabilen Bindegewebsregenerates belegt werden. Sowohl der fibrinstabilisierende Faktor XIII als auch die eingesetzte Transplantat-Splitting-Technik zeigten eine positive Wirkung auf den Ein- und Umbau sowie den biomechanischen Ausrissfestigkeiten der Transplantate. Die alleinige Wirkung des Faktor XIII spielt vor allem in der Frühphase eine stimulierende Rolle auf die Initiierung der Umbauvorgänge und der ossären Intergration der Knochenblöcke. Mittel- und langfristig wird die Ausbildung von belastungsstabilen Kollagenfibrillen durch andere weitestgehend unbekannte Einflussfaktoren bestimmt. Die neuartig entwickelte Transplantat-Splitting-Technik erwies sich für den Transplantatumbau ebenfalls als vorteilhaft. Mit dieser Transplantatbearbeitung wurde die Grundlage für eine frühzeitige synoviale Ernährung der Bündel gewährleistet. Durch die artifizielle Gewebsläsion werden reparative Vorgänge beschleunigt. Auf der Grundlage der experimentell gewonnenen Daten kann die Transplantat-Splitting- Technik für die klinische Erprobung und Praxiseinführung empfohlen werden. / The clinical long term results mean 13,8 years after anterior cruciate ligament reconstructions with bone-patellar tendon-bone transplant were not satisfied. Main reasons were technical errors, malpositioning of the bone tunnels and fixation of the transplant in a too high degree of flexion. As a result the patients had significant reductions of motion in extension as well as in flexion. Especially in cases with an anterior femoral bone tunnel position the patients had a loss of flexion and high degree of shear forces in the femoro-tibial compartment similar a nutcracker phenomenon. In ACL reconstructions with an anterior tibial bone tunnel position could be observed a loss of extension. Patients with concomitant meniscal resection showed significant higher rate of osteoarthrotic changes. Both, the former operative technique and the postoperative rehabilitation programme had no clinical relevance today and are replaced by new standards. In an experimental study regarding to the remodeling process of an autologous anterior cruciate ligament plasty in a rabbit model could be examined factors which influencing the maturation process of the graft. The fibrin stabilizing factor XIII as well as the transplant splitting technique showed a positive effect in the remodelling process and the pull-out strength of the transplants. In the early phase the factor XIII activated the initial remodeling and the osseous ingrowth of the bone blocks. In middle and long term period of remodeling there plays unknown factors an important role for building of force restraint collagen fibrils. The new developed splitting technique had some additional advantages. Using these technique the basis of early synovial nutrition could be realized. The artificial tissue lesion leads to an acceleration of the reparative response. On the basis of the experimental data the transplant splitting technique can be recommended and introduce in the clinical trial.